DE102005027772A1

DE102005027772A1 - Wechselgetriebe für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102005027772A1
Application number: DE200510027772
Authority: DE
Inventors: Rainer Ahrens; Martin Wilken; Christian Rühs
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2025-06-16
Also published as: DE102005027772B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wechselgetriebe (2) für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer eine Schiebemuffenverzahnung aufweisenden Schiebemuffe (4) sowie mehreren drehbar an einer Triebwelle (1) angeordneten und eine Kupplungsverzahnung aufweisenden Gangrädern (5; 6). Bei einer axialen Verschiebung der Schiebemuffe (4) entlang der Triebwelle (1) in Richtung eines Gangrades (5; 6) ist die Schiebemuffenverzahnung in Eingriff mit der Kupplungsverzahnung des zugeordneten Gangrades (5; 6) bringbar. Erfindungsgemäß weisen die Schiebemuffenverzahnung und/oder die Kupplungsverzahnung einen Vorzentrierverzahnungsbereich (11; 16) auf, der einen an derselben Verzahnung angeordneten Formschlussverzahnungsbereich (12; 17), in Axialrichtung der Triebwelle (1) gesehen, überragt, dergestalt, dass sich die Schiebemuffe (4) und das Gangrad (5, 6) bei einem Auftreffen des Vorzentrierverzahnungsbereiches (11; 16) auf die jeweils andere Verzahnung aufgrund einer Drehzahldifferenz zwischen der Schiebemuffe (4) und dem Gangsrad (5, 6) in eine Eingriffsposition verdrehen und den Eingriff der Schiebemuffenverzahnung in die Kupplungsverzahnung freigeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wechselgetriebe für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 37 01 536 A1 ist ein gattungsgemäßes Wechselgetriebe für ein Kraftfahrzeug bekannt mit wenigstens einer eine Schiebemuffenverzahnung aufweisenden Schiebemuffe sowie mehreren drehbar an einer Triebwelle angeordneten und eine Kupplungsverzahnung aufweisenden Gangrädern. Bei einer axialen Verschiebung der Schiebemuffe entlang der Triebwelle in Richtung eines Gangrades ist die Schiebemuffenverzahnung mit der Kupplungsverzahnung des Gangrades in Eingriff bringbar. Konkret sind bei diesem Wechselgetriebe zudem Sperrsynchronringe vorgesehen, die an der Triebwelle benachbart zu den Gangrädern angeordnet sind. Diese Sperrsynchronringe sind Bestandteil einer Synchronisierungseinrichtung des Wechselgetriebes, mit der der Schaltkomfort beim Einlegen der Gänge optimiert werden soll. Dazu wirken an den Sperrsynchronringen angeordnete Sperrzähne mit den Muffenzähnen der Schiebemuffe zusammen. Die Muffenzähne der Schiebemuffe sind bezüglich ihrer Form in zwei unterschiedliche Gruppen aufgeteilt, nämlich einerseits als Haltezähne ausgebildete Muffenzähne, die an beiden Seitenflanken Ausnehmungen aufweisen, und andererseits als Führungszähne ausgebildete Muffenzähne, die an einander gegenüberliegenden Seitenflanken keine Ausnehmungen aufweisen. Diese Führungszähne sind bezüglich ihrer Breite um einen vorgegebenen Betrag verschmälert, wobei die mit diesen Führungszähnen zusammenwirkenden Sperrzähne des Sperrsynchronringes an ihren entsprechenden Seiten in der Breite vergrößert sind.

In der DE 198 47 139 C1 und in der DE 692 06 879 T2 sind ebenfalls jeweils Wechselgetriebe für Kraftfahrzeuge beschrieben, die eine Synchronisiereinrichtung zur Angleichung der Drehzahl zwischen zu schaltendem Gangrad und der Schiebemuffe aufweisen. Auch hier sind jeweils Sperrsynchronringe mit einer Sperrverzahnung Bestandteil der Synchronisiereinrichtung, wobei einerseits die Sperrzähne der Sperrsynchronringe und andererseits die Muffenzähne der Schiebemuffe jeweils so ausgebildet sind, dass bestimmte Zähne einen anderen Dachschrägenwinkel als andere Zähne aufweisen. Des weiteren ist aus der DE 197 11 971 A1 eine Morphologie-Matrix für die Ausbildung der Querschnittsformen eines Zahnes einer Kurzverzahnung an Zahnrädern in Wechselgetrieben von Kraftfahrzeugen beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wechselgetriebe für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zu schaffen, bei dem ein Einlegen eines Ganges ohne eine konventionelle Synchronisiereinrichtung mit hohem Schaltkomfort möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Gemäß Anspruch 1 weisen die Schiebemuffenverzahnung und/oder die Kupplungsverzahnung einen Vorzentrierverzahnungsbereich auf, der einen an derselben Verzahnung angeordneten Formschlussverzahnungsbereich in Axialrichtung der Triebwelle gesehen überragt dergestalt, dass sich die Schiebemuffe und das Gangrad bei einem Auftreffen des Vorzentrierverzahnungsbereiches auf die jeweils andere Verzahnung aufgrund einer Drehzahldifferenz zwischen der Schiebemuffe und dem Gangrad in eine Eingriffsposition verdrehen und den Eingriff der Schiebemuffenverzahnung in die Kupplungsverzahnung freigeben.

Vorteilhaft wird hier durch den Vorzentrierverzahnungsbereich und den Formschlussverzahnungsbereich eine Funktionstrennung erreicht, mit der ein Einlegen der einzelnen Gänge mit einem optimalen Schaltkomfort möglich wird, da durch die Ausbildung von Vorzentrier- und Formschlussverzahnungsbereich ein Schalten bei einer Differenzdrehzahl möglich wird, ohne dass Schaltgeräusche und Stöße auftreten bzw. die Schiebemuffe abgewiesen wird. Die bestehende Differenzdrehzahl wird bei einem Zahnflankenkontakt zwischen dem Vorzentrierverzahnungsbereich und der zugeordneten Verzahnung vollständig abgebaut. Durch diese Funktionstrennung wird erreicht, dass der Vorzentrierverzahnungsbereich ausschließlich für das Finden des Schaltfensters, das durch den Abstand zwischen den Muffenzähnen bzw. Klauenzähne der Schiebemuffe definiert ist, und das Einfädeln in selbiges zuständig ist. Für den späteren Formschluss zur Momentenübertragung bei vollständig durchgeschaltetem Gang ist dagegen der Formschlussverzahnungsbereich verantwortlich. Der Vorzentrierverzahnungsbereich hat dann bei vollständig durchgeschaltetem Gang grundsätzlich keine Funktion mehr. Neben einem optimalen Schaltkomfort können mit einem erfindungsgemäßen Wechselgetriebe Schaltgeräusche, Stöße im Schaltmechanismus und Gangsprünge, beispielsweise bei einem Lastwechsel in der Kurvenfahrt, reduziert bzw. vollständig vermieden werden. Eine konventionelle Synchronisiereinrichtung, wie beim Stand der Technik eingesetzt, die beispielsweise Synchronringe, Sperrstücke und Federringe aufweist, kann hier vorteilhaft entfallen, so dass insgesamt gesehen dadurch eine Vereinfachung der Herstellung und eine Reduzierung der Herstellungskosten einhergeht.

In einer konkreten Ausgestaltung kann die Schiebemuffenverzahnung, vorzugsweise eine Schiebemuffen-Innenverzahnung, eine Mehrzahl von Muffenzähnen und die Kupplungsverzahnung eine Mehrzahl von Kupplungszähnen aufweisen. Dies entspricht einem herkömmlichen Grundaufbau eines Wechselgetriebes, wobei der erfindungsgemäße Vorzentrierverzahnungsbereich und der Formschlussverzahnungsbereich an den Muffenzähnen und ergänzend oder alternativ an den Kupplungszähnen ausgebildet sein kann. Nachfolgend wird eine erste Ausführungsform entsprechend der Patentansprüche 3 bis 15 beschrieben, bei der lediglich der Übersichtlichkeit und Einfachheit halber von einer Ausbildung von Vorzentrierzähnen an der Kupplungsverzahnung ausgegangen wird. In einer hierzu äquivalenten Ausführungsform könnten die Vorzentrierzähne selbstverständlich auch an der Schiebemuffenverzahnung ausgebildet sein.

In dieser ersten Ausführungsform überragt eine vorgegebene Anzahl von Vorzentrierzähne ausbildenden Kupplungszähnen, die einen Vorzentrierverzahnungsbereich aufweist, in Axialrichtung der Triebwelle gesehen die restlichen, Formschlusszähne ausbildenden Kupplungszähne, die einen Formschlussverzahnungsbereich aufweist. Dadurch weisen die Kupplungszähne am Gangrad zwei unterschiedliche Zahngeometrien auf, so dass dadurch eine Funktionstrennung erreicht wird. Die Vorzentrierzähne sind für das Finden des Schaltfensters und das Einfädeln in selbiges zuständig, die Formschlusszähne bewirken bei vollständig durchgeschaltetem Gang die Momentenübertragung. Grundsätzlich ist, wie gesagt, auch eine Anordnung von Vorzentrierzähnen und Formschlusszähnen als Muffenzähne an der Schiebemuffe denkbar.

Im Folgenden wird kurz der Schaltablauf mit einem Wechselgetriebe beschrieben, das an einem Gangrad als Kupplungszähne Vorzentrierzähne und Formschlusszähne aufweist. Die dabei getätigten Aussagen bezüglich der Vorzentrierzähne bzw. der Formschlusszähne am Gangrad sind in entsprechend übertragener Form auch für die Ausführung der Vorzentrierzähne und der Formschlusszähne an der Schiebemuffe gültig. Zum Einlegen eines Ganges wird die Schiebemuffe in Axialrichtung entlang der Triebwelle so in Richtung des zu schaltenden Gangrades verschoben, dass die Schiebemuffen-Innenverzahnung mit ihren Muffenzähnen mit den Kupplungszähnen des Gangrades in Eingriff gebracht wird, so dass dann in gewünschter Weise eine Momentenübertragung stattfinden kann. Zu Beginn der Verschiebung der Schiebemuffe weisen das Gangrad und die Schiebemuffe unterschiedliche Drehzahlen auf. Aufgrund dieser bestehenden Drehzahldifferenz kann eine genaue Aussage über die relative Position von Gangrad und Schiebemuffe zueinander nicht getroffen werden. Es können jedoch lediglich zwei Situationen eintreten, nämlich einerseits kann ein direktes Einfädeln der Muffenzähne bzw. Klauenzähne der Schiebemuffe zwischen die Kupplungszähne des Gangrades möglich sein und andererseits kann eine sog. „Zahn auf Zahn"-Situation eintreten, bei der die vorgesetzten Vorzentrierzähne auf die Muffenzähne stoßen, so dass ein weiteres Durchschalten gesperrt ist. Dadurch, dass die Schaltkraft, mit der die Schiebemuffe axial verschoben wird, aufrechterhalten bleibt und aufgrund der Differenzdrehzahl zwischen der Schiebemuffe und dem Gangrad verdrehen sich die beiden aneinander anliegenden Zähne relativ zueinander bzw. rutschen aneinander vorbei. Dies geschieht solange, bis die Vorzentrierzähne des Gangrades auf ein Schaltfenster der Schiebemuffe treffen. Damit ist eine sog. Sperr- bzw. Rutschphase beendet und eine sog. Einfädelphase wird eingeleitet. Aufgrund der weiter anliegenden Schaltkraft wird die Schiebemuffe weiter axial verlagert, so dass die Vorzentrierzähne bereits in die Schaltfenster der Schiebemuffe eingreifen, so dass die Zahnflanken der Muffenzähne und die Zahnflanken der Vorzentrierzähne aufeinander treffen. Begleitet durch einen Momentenstoß wird dabei die Differenzdrehzahl durch den entstehenden Formschluss zwischen dem Gangrad und der Schiebemuffe abgebaut. Damit ist die Einfädelphase beendet und eine sog. Verdrehphase beginnt. D. h, dass durch ein weiteres axiales Verschieben der Schiebemuffe sich das Gangrad relativ zur Schiebemuffe etwas verdreht, wobei durch dieses Verdrehen die Formschlusszähne exakt den jeweiligen Schaltfenstern der Schiebemuffe zugeordnet werden. In der anschließenden sog. Formschlussphase wird der Gang vollständig geschalten, d. h., dass die Schiebemuffe beispielsweise bis zu einem mechanischen Anschlag axial verschoben wird, so dass die Formschlusszähne vollständig in die Schaltfenster der Schiebemuffe eingreifen. Eine Momentenübertragung bei vollständig geschaltetem Gang wird nur durch die Formschlusszähne bewirkt, die Vorzentrierzähne sind bei eingelegtem Gang funktionslos.

In einer bevorzugten Ausführung können sowohl die Muffenzähne als auch die Vorzentrierzähne des Gangrades jeweils an den einander zugewandten Endbereichen abgeflacht sein. Dadurch ist bei einer „Zahn auf Zahn"-Situation aufgrund der Drehzahldifferenz zwischen der Schiebemuffe und dem Gangrad ein günstiges und funktionssicheres sowie ein „flächiges" aneinander Vorbeirutschen der Zähne sichergestellt, so dass die Schiebemuffe, auf die zu diesem Zeitpunkt immer noch die Schaltkraft wirkt, nicht abgewiesen wird.

In einer weiteren Ausgestaltung kann eine maximale Vorzentrierzahn-Zahnbreite im Vergleich zu einer Schaltfensterbreite an der Schiebemuffe, die durch den Abstand zwischen den Muffenzähnen definiert ist, kleiner sein. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit eines direkten Durchschaltens erheblich vergrößert, da die Vorzentrierzähne aufgrund ihrer gegenüber dem Schaltfenster reduzierten Breite einfacher in die Schaltfenster einfädeln können.

In einer bevorzugten Weiterbildung kann das Verhältnis der Vorzentrierzahn-Zahnbreite zur Schaltfensterbreite in einem Bereich zwischen 1:4 und 2:3 liegen. In Versuchsaufbauten hat sich gezeigt, dass ein Maßverhältnis 2:3 für eine Optimierung des Schaltvorganges bzw. für eine große Wahrscheinlichkeit eines direkten Durchschaltens bei gleichzeitig gutem Schaltkomfort vorteilhaft ist.

Dagegen kann in einer weiteren Ausgestaltung eine maximale Formschlusszahn-Zahnbreite in etwa einer Schaltfensterbreite an der Schiebemuffe entsprechen. Dadurch ist bei vollständig geschaltetem Gang, bei dem die Formschlusszähne vollständig in die Schaltfenster der Schiebemuffe eingreifen, ein vorteilhaft kleines Verdrehflankenspiel gewährleistet, wodurch auch bei Lastwechseln Schaltgeräusche bzw. Gangsprünge weitgehend ausgeschlossen werden können. In einem Versuchsaufbau wurde festgestellt, dass die Formschlusszahn-Zahnbreite nur um 2/10 kleiner als die Schaltfensterbreite sein sollte. Aufgrund des minimierten Verdrehflankenspiels werden Lastwechselstöße minimiert bzw. gänzlich vermieden, wodurch die Gefahr von Gangsprüngen bei Lastwechseln ebenfalls verringert wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Formschlusszähne einen vorgegebenen Dachschrägenwinkel aufweisen. Dadurch ist beim Schaltvorgang sichergestellt, dass die Muffenzähne beim Einfädeln mit den Formschlusszähnen des Gangrades nicht kollidieren, sondern aufgrund der Vorzentrierzähne zuerst der Abbau der Drehzahldifferenz zwischen Gangrad und Schiebemuffe stattfindet und anschließend zum Ende der Einfädelphase die Muffenzähne bereits so gegenüber den Formschlusszähnen angeordnet sind, dass bei einem weiteren Verschieben der Schiebemuffe aufgrund der anliegenden Schaltkraft die Muffenzähne entlang der Dachschräge der Formschlusszähne während der Verdrehphase entlang gleiten, wobei die Verdrehphase dann beendet ist, wenn die Muffenzähne über die Dachschrägenflanken der Formschlusszähne geschoben sind. Der Dachschrägenwinkel kann dabei abhängig vom zahlenmäßigen Verhältnis Schaltfensterbreite:Vorzentrierzahn-Zahnbreite ausgebildet sein. Im Versuchsaufbau des Wechselgetriebes hat sich insbesondere gezeigt, dass der Dachschrägenwinkel in einem Bereich zwischen 30° und 90° liegen kann, bevorzugt 40° betragen sollte.

Zudem können in einer weiteren Ausgestaltung die Formschlusszähne eine Verjüngung der Zahnbreite aufweisen zur Ausbildung einer Hinterlegung. Dadurch ist in der Formschlussphase des Schaltvorganges sichergestellt, d. h. bei vollständig geschaltetem Gang, dass der hergestellte Formschluss zwischen den Formschlusszähnen des Gangrades und den Muffenzähnen funktionssicher aufrechterhalten bleibt und ein ungewolltes Herausspringen des Ganges dadurch verhindert ist. Im Versuchsaufbau hat sich hierbei gezeigt, dass die Hinterlegung in einem Bereich zwischen 2° und 9° ausgebildet sein sollte, wobei bevorzugt eine Hinterlegung von 4° eingesetzt wird. Weisen die Formschlusszähne eine Dachschräge auf, so schließt sich bevorzugt die die Hinterlegung ausbildende Verjüngung der Zahnbreite direkt an das Ende der Dachschrägen an.

Zudem können in einer weiteren Ausgestaltung die Muffenzähne der Schiebemuffe und/oder die Vorzentrierzähne jeweils im Anschluss an den vorzugsweise abgeflachten Endbereich eine Verjüngung der Zahnbreite zur Ausbildung einer Hinterlegung aufweisen. Sind sowohl an den Muffenzähnen als auch an den Vorzentrierzähnen jeweils an den Seitenflanken im Anschluss an den bevorzugt abgeflachten Endbereich Hinterlegungen ausgebildet, so können diese vorteilhaft so aufeinander abgestimmt sein, dass in der Einfädelphase, in der die Seitenflanke der Muffenzähne an der Seitenflanke der Vorzentrierzähne anliegt, eine optimale Anlageverbindung ausgebildet ist, so dass der Momentenstoß, der durch den Abbau der Differenzdrehzahl zwischen dem Gangrad und der Schiebemuffe auftritt, gering gehalten werden kann. Eine Hinterlegung an den Muffenzähnen kann zudem mit der Hinterlegung an den Formschlusszähnen aufeinander so abgestimmt sein, dass in der Formschlussphase, bei der die Momentenübertragung bei vollständig durchgeschaltetem Gang stattfindet, funktionssicher gewährleistet ist und ein ungewolltes Lösen der Verbindung zwischen dem Gangrad und der Schiebemuffe funktionssicher verhindert ist. Auch hier kann die Hinterlegung bevorzugt 4° betragen.

Gemäß einer weiteren Ausführung können die Vorzentrierzähne und die Formschlusszähne symmetrisch über den Umfang umlaufend am Gangrad angeordnet sein. Aufgrund der symmetrischen Anordnung, d. h., dass sich die Vorzentrierzähne und die Formschlusszähne gemäß einem regelmäßigen, vorgebbaren Muster abwechseln, kann die Herstellung des Gangrades vereinfacht werden. In einem Versuchsaufbau hat sich herausgestellt, dass das Verhältnis der Anzahl der Vorzentrierzähne zu den Formschlusszähnen in einem Bereich zwischen 1:2 und 1:5 liegt. So sind beispielsweise bei 27 über den Umfang verteilten Kupplungszähnen am Gangrad sechs Vorzentrierzähne und 21 Formschlusszähne vorgesehen, die gemäß einem regelmäßigen Muster abwechselnd angeordnet sind.

In einer konkreten Ausführung können ein Vorzentrierzahn-Axialmaß und ein Formschlusszahn-Hinterlegungsaxialmaß so ausgelegt sein, dass sich ein Schaltweg von in etwa 6 bis 12 mm und eine Überdeckung zwischen den Muffenzähnen und den Formschlusszähnen des Gangrades bei durchgeschaltetem Gang von etwa 1 bis 5 mm ergibt. In einem Versuchsaufbau hat sich gezeigt, dass ein Schaltweg von etwa 8 mm verfahren werden muss, um die Rastierung der der Schaltmuffe zugeordneten Schaltgabel im Getriebegehäuse zu überwinden. Grundsätzlich ist aber bei einer Überarbeitung dieser Rastierung ein kürzerer oder längerer Schaltweg möglich. Bei einer Überdeckung von etwa 2 mm ist eine funktionssichere Momentenübertragung bei durchgeschaltetem Gang gewährleistet.

Die oben beschriebenen Weiterbildungen eines Gangrades, dessen Kupplungszähne als Vorzentrierzähne und Formschlusszähne ausgebildet sind, können auch entsprechend auf eine Schiebemuffe, an der dann die Muffenzähne als Vorzentrierzähne und Formschlusszähne ausgebildet sind, übertragen werden.

In einer zur Ausführungsform der Ansprüche 3 bis 15 alternativen Ausführung des Wechselgetriebes können anstelle der separaten Vorzentrierzähne und Formschlusszähne auch eine vorgegebene Anzahl von Kupplungszähnen als Kombizähne vom freien Endbereich her gesehen einen Vorzentrierverzahnungsbereich aufweisen, an den in Axialrichtung der Triebwelle gesehen ein Formschlussverzahnungsbereich anschließt. Gegebenenfalls können sogar alle Kupplungszähne des Gangrades als Kombizähne ausgebildet sein. Ebenso kann die Anordnung der Kombizähne auch an der Schiebemuffe vorgesehen sein, so dass dann die Muffenzähne als Kombizähne ausgebildet sind. Insgesamt gesehen können auch mit den Kombizähnen die bereits oben im Zusammenhang mit den Vorzentrierzähnen und Formschlusszähnen angeführten Vorteile für das Wechselgetriebe erhalten werden. Der Unterschied zwischen den alternativen Ausführungen des Wechselgetriebes ist nur, dass die Funktionen „Vorzentrieren" und „Formschluss" hier in einem Zahn kombiniert sind, nämlich im Kombizahn, dagegen in der oben beschriebenen Ausführung des Wechselgetriebes getrennt in zwei geometrisch unterschiedlich ausgebildeten Zähnen, nämlich den Vorzentrierzähnen und den Formschlusszähnen, angeordnet sind. Auf eine ausführliche Wiederholung der Vorteile bzw. der Funktionsbeschreibung – auch im Folgenden – wird darum hier verzichtet bzw. auf die entsprechenden Textpassagen oben verwiesen.

In einer bevorzugten Ausführung können sowohl die Muffenzähne als auch die Kombizähne jeweils an den einander zugewandten Endbereichen abgeflacht sein. Zudem kann eine maximale Kombizahn-Vorzentrier-Zahnbreite im Vorzentrierverzahnungsbereich im Vergleich zu einer Schaltfensterbreite an der Schiebemuffe, die durch den Abstand zwischen den Muffenzähnen definiert ist, kleiner sein. Dagegen kann eine maximale Kombizahn-Formschluss-Zahnbreite im Formschlussverzahnungsbereich in etwa einer Schaltfensterbreite an der Schiebemuffe entsprechen.

In einer konkreten Ausgestaltung können die Kombizähne im Übergang vom Vorzentrierverzahnungsbereich zum Formschlussverzahnungsbereich einen vorgegebenen Dachschrägenwinkel aufweisen. Des weiteren können die Kombizähne im Vorzentriererzahnungsbereich im Anschluss an den, vorzugsweise abgeflachten, freien Endbereich eine Verjüngung der Zahnbreite aufweisen zur Ausbildung einer Hinterlegung. Zudem können die Kombizähne im Formschlussverzahnungsbereich, vorzugsweise im Anschluss an eine Dachschräge, eine Verjüngung der Zahnbreite aufweisen zur Ausbildung einer Hinterlegung.

Die Maßangaben beispielsweise für den Dachschrägenwinkel oder für die Hinterlegungen können in übertragener Weise aus den oben ausführlich beschriebenen Ausführungen für die Vorzentrierzähne und die Formschlusszähne übernommen werden.

Zudem kann in einer weiteren Ausgestaltung, die unabhängig von der Ausführung der Schiebemuffenverzahnung bzw. der Kupplungsverzahnung ist, das Gangrad unmittelbar oder mittelbar mit einer Brems- und/oder Beschleunigungseinrichtung gekoppelt sein, so dass das Gangrad beim Schaltvorgang auf eine vorgebbare Drehzahl abbremsbar und/oder beschleunigbar ist. Die Brems- und/oder Beschleunigungseinrichtung kann beispielsweise durch eine Wellenbremse gebildet sein, wobei auch ein Kupplungs- und Motordrehzahleingriff zum Abbremsen und/oder Beschleunigen des Gangrades denkbar ist. Insgesamt kann durch diese Maßnahmen die vorgebbare Drehzahldifferenz zwischen dem Gangrad und der Schiebemuffe hergestellt werden, die notwendig ist, um ein Auflösen einer etwaigen „Zahn auf Zahn"-Situation zu gewährleisten.

In einer konkreten Ausführung können die Kupplungszähne an einem Kupplungskörper angeordnet sein, der drehfest mit dem Gangrad verbunden ist. Durch die jeweils separate Herstellung des Gangrades und des Kupplungskörpers mit den daran angeordneten Kupplungszähnen ist insgesamt gesehen die Herstellung mit einer entsprechenden Prüfmessung vereinfacht, wobei der Kupplungskörper dann am Gangrad beispielsweise durch eine Verschweißung angeordnet und befestigt werden kann.

In einer weiteren Ausführung kann am Gangrad, vorzugsweise an einem am Gangrad angeordneten Kupplungskörper, ein Axialanschlag vorgesehen sein, mit dem die Verschiebung der Schiebemuffe beim Schaltvorgang axial begrenzbar ist. Durch den Axialanschlag ist der Schaltvorgang funktionssicher bezüglich der Verschiebung der Schiebemuffe beendbar, wobei bei der Verschiebung der Schiebemuffe bis zum Axialanschlag sichergestellt ist, dass die Muffenzähne funktionssicher mit den Kupplungszähnen, d. h. hier mit den Formschlusszähnen, in Eingriff sind für eine funktionssichere Momentenübertragung.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Triebwelle mit zwei Gangrädern und einer Schiebemuffe in einem Halbschnitt,
2 bis 6 jeweils eine schematische, teilweise Aufrollung der Zahneingriffe zwischen Schiebemuffe und Gangrad bei einem Schaltvorgang, wobei am Gangrad ein Vorzentrierzahn und eine Formschlusszahn angeordnet sind,
7 eine schematische, teilweise Aufrollung der Zähne der Schiebemuffe und des Gangrades der 2 bis 6 mit einer beispielhaften Bemaßung, und
8 eine schematische, teilweise Aufrollung der Zähne der Schiebemuffe und des Gangrades, wobei am Gangrad ein Kombizahn angeordnet ist mit einer beispielhaften Bemaßung.
In 1 ist in einer schematischen Perspektivdarstellung in einem Halbschnitt eine Triebwelle 1 eines Wechselgetriebes 2 für ein Kraftfahrzeug dargestellt. An der Triebwelle 1 ist drehfest eine Kupplungsnabe 3 angeordnet, die eine Außenverzahnung aufweist. Auf dieser Außenverzahnung kann eine Schiebemuffe 4 über ihre Innenverzahnung in Axialrichtung der Triebwelle 1 verschoben werden. Zu beiden Seiten angrenzend an die Kupplungsnabe 3 bzw. die Schiebemuffe 4 ist jeweils ein Gangrad 5 und 6 drehbar an der Triebwelle 1 angeordnet. Jedes Gangrad 5 und 6 weist über den Umfang umlaufend angeordnete Kupplungszähne 7 auf, die an einem Kupplungskörper 8 angeordnet sind, der mit dem jeweiligen Gangrad 5 bzw. 6 drehfest verbunden ist. Bei einer axialen Verschiebung der Schiebemuffe 4 entlang der Triebwelle 1 in Richtung eines Gangrades 5 bzw. 6 kann die Schiebemuffen-Innenverzahnung mit ihren Muffenzähnen 9 mit den Kupplungszähnen 7 des Gangrades 5 bzw. 6 in Eingriff gebracht werden. Befinden sich die Muffenzähne 9 der Schiebemuffe 4 in Eingriff mit den Kupplungszähnen 7 des Gangrades 5 bzw. 6 so ist dieser Gang eingelegt und es findet eine Momentenübertragung in allgemein bekannter Weise statt.
In den 2 bis 5 ist jeweils eine schematische teilweise Aufrollung der Muffenzähne 9 der Schiebemuffe 4 bzw. der Kupplungszähne 7 des Gangrades 5 dargestellt, wobei in den einzelnen Figuren zeitlich aufeinanderfolgende Momentaufnahmen eines Schaltvorganges gezeigt sind.
In 7 sind ebenfalls in einer teilweisen Aufrollung schematisch die Kupplungszähne 7 des Gangrades 5 und die Muffenzähne 9 der Schiebemuffe 4 gezeigt. Zudem ist hier beispielhaft eine Bemaßung der einzelnen Zähne 7 und 9 eingezeichnet. Die einzelnen Muffenzähne 9 der Schiebemuffe 4 sind regelmäßig voneinander beabstandet und weisen immer die gleiche Zahngeometrie auf. Der Abstand zwischen den Muffenzähnen 9 der Schiebemuffe 4 ist als Schaltfensterbreite M1 definiert. Zudem weisen die Muffenzähne 9 einen abgeflachten Endbereich 10 auf, an den sich eine Hinterlegung α anschließt.
Die Kupplungszähne 7 des Gangrades 5 weisen zwei verschiedene Geometrien auf, nämlich einerseits einen Vorzentrierzahn 11 und andererseits einen gegenüber dem Vorzentrierzahn 11 in Axialrichtung gesehen zurückgesetzten Formschlusszahn 12. Der Vorzentrierzahn 11 weist ebenso wie die Muffenzähne 9 der Schiebemuffe 4 einen abgeflachten Endbereich 13 auf, an den sich ebenfalls wie bei den Muffenzähnen 9 eine Hinterlegung α1 anschließt. Die maximale Vorzentrierzahn-Zahnbreite M2 ist im Vergleich zu der Schaltfensterbreite M1 an der Schiebemuffe 4 wesentlich kleiner, wobei hier die Vorzentrierzahn-Zahnbreite M2 zur Schaltfensterbreite M1 in etwa ein Verhältnis 2:3 aufweist. Die maximale Formschlusszahn-Zahnbreite M4 entspricht in etwa der Schaltfensterbreite M1 an der Schiebemuffe 4. Zudem weist der Formschlusszahn 12 einen Dachschrägenwinkel β auf, der in etwa 40° beträgt. Im Anschluss an den Dachschrägenwinkel β ist am Formschlusszahn 12 eine Hinterlegung α2 ausgebildet, wobei die einzelnen Hinterlegungen α1 und α2 an den Muffenzähnen 9, am Vorzentrierzahn 11 und am Formschlusszahn 12 aufeinander abgestimmt gleich ausgeführt sind. Insgesamt gesehen sind am Kupplungskörper 8 in einer vorgegebenen Anordnung abwechselnd Vorzentrierzähne 11 und Formschlusszähne 12 symmetrisch über den Umfang umlaufend angeordnet, wobei das Verhältnis der Anzahl der Vorzentrierzähne 11 zu den Formschlusszähnen 12 in einem Bereich zwischen 1:3 und 1:4 liegt. Das Vorzentrierzahn-Axialmaß M5 und das Formschlusszahn-Hinterlegungsaxialmaß M6 sind so ausgelegt, dass sich ein Schaltweg von in etwa 8 mm und eine Überdeckung zwischen den Muffenzähnen 9 der Schiebemuffe 4 und den Formschlusszähnen 12 des Gangrades 5 bei durchgeschaltetem Gang von etwa 2 mm ergibt.
Zum Einlegen eines Ganges wird eine Schaltkraft F auf die Schiebemuffe 4 aufgebracht, so dass diese entlang der Triebwelle 1 in Richtung zum gewählten Gangrad 5 hin verschoben wird. Zu diesem Zeitpunkt weisen der Kupplungskörper 8 und damit das Gangrad 5 und die Schiebemuffe 4 eine Drehzahldifferenz auf. Durch die Verschiebung der Schiebemuffe 4 aufgrund der Schaltkraft F kann so eine „Zahn auf Zahn"-Situation eintreten, bei der die vorgesetzten Vorzentrierzähne 11 auf die Muffenzähne 9 der Schiebemuffe 4 stoßen. Dies ist in 2 schematisch dargestellt. Dadurch ist ein weiteres Durchschalten gesperrt, wobei aber aufgrund der im Endbereich 10 bzw. 13 abgeflachten Zähne 9 bzw. 11 und der vorhandenen Drehzahldifferenz die beiden Zähne relativ zueinander bzw. aneinander vorbeirutschen. Diese Sperr- bzw. Rutschphase, die in den 2 und 3 schematisch dargestellt ist, dauert so lange, bis die Zähne 9 und 11 aneinander vorbeigerutscht sind, so dass aufgrund der noch immer anliegenden Schaltkraft F an der Schiebemuffe 4 die Muffenzähne 9 zwischen die Kupplungszähne 7 eingreifen können. Diese Einfädelphase vollzieht sich solange, bis die Zahnflanken der Muffenzähne 9 und der Vorzentrierzähne 11 an den jeweiligen Hinterlegungen α aufeinander treffen, wobei dies aufgrund der Drehzahldifferenz und einen damit verbundenen relativen Verdrehen der Schiebemuffe 4 und des Gangrades 5 zueinander bedingt ist. Beim Aufeinandertreffen der Zahnflanken wird von einem Momentenstoß begleitet die Differenzdrehzahl durch den entstehenden Formschluss abgebaut. Zu diesem Zeitpunkt sind die Formschlusszähne 12 mit den Muffenzähnen 9 noch nicht in Kontakt, wie dies in 4 schematisch dargestellt ist. Damit ist die Einfädelphase beendet und eine Verdrehphase beginnt. D. h., dass aufgrund des weiteren Verschiebens der Schiebemuffe 4 mittels der Schaltkraft F in Axialrichtung der Triebwelle 1 die Muffenzähne 9 entlang der Dachschräge der Formschlusszähne 12 verschoben werden, so dass sich der Kupplungskörper 8 und damit das Gangrad 5 relativ zu der sich weiter axial bewegenden Schiebemuffe 4 verdreht. Die Verdrehphase ist beendet, wenn die Muffenzähne 9 der Schiebemuffe 4 über die Dachschrägenflanken der Formschlusszähne 12 geschoben sind. Dies ist in 5 schematisch dargestellt. In einer Formschlussphase wird der Gang vollständig geschaltet, d. h., dass die Schiebemuffe 4 bis zu einem mechanischen Axialanschlag (siehe 1) axial verschoben wird, was schematisch in 6 dargestellt ist. Durch den Hinterschnitt α an den Formschlusszähnen 12 bzw. an den Muffenzähnen 9 wird die Schiebemuffe in dieser Position gehalten. Die Momentenübertragung erfolgt, wie dies aus 6 ersichtlich ist, nur durch die Formschlusszähne 12, die an den Muffenzähnen 9 der Schiebemuffe 4 anliegen. Die Vorzentrierzähne 11 sind bei eingelegtem Gang funktionslos.
Wie bereits weiter oben erwähnt, können die Vorzentrierzähne und die Formschlusszähne auch an der Schiebemuffe angeordnet sein und das Gangrad mit den Kupplungszähnen in herkömmlicher Bauweise ausgebildet sein.
Als alternative Ausführung können die in Vorzentrierzahn und Formschlusszahn getrennten Funktion „Vorzentrieren" und „Formschluss" auch in einem Kombizahn 15 kombiniert werden, so dass an einem solchen Kombizahn 15 vom freien Endbereich her gesehen ein Vorzentrierverzahnungsbereich 16 vorgesehen ist, an den in Axialrichtung der Triebwelle 1 gesehen ein Formschlussverzahnungsbereich 17 anschließt. Die Kombizähne 15 können sowohl als Muffenzähne an der Schiebemuffe 4 als auch als Kupplungszähne am Gangrad 5 angeordnet sein.
In 8 ist eine schematische, teilweise Aufrollung der Kupplungszähne des Gangrades 5 und der Muffenzähne 9 der Schiebemuffe 4 gezeigt, wobei hier die Kupplungszähne als Kombizähne 15 ausgebildet sind. Zudem ist eine beispielhafte Bemaßung der Kombizähne 15 eingezeichnet. Die Schiebemuffe 4 mit den Muffenzähnen 9 entspricht der oben bereits ausführlich beschriebenen Schiebemuffe 4. Der freie Endbereich 18 des Kombizahnes ist abgeflacht, wobei sich daran eine Verjüngung der Zahnbreite zur Ausbildung einer Hinterlegung α1' anschließt. Die maximale Kombizahn-Vorzentrier-Zahnbreite M2' im Vorzentrierverzahnungsbereich 16 ist kleiner als die Schaltfensterbreite M1. Im Übergang vom Vorzentrierverzahnungsbereich 16 zum Formschlussverzahnungsbereich 17 ist eine Dachschräge ausgebildet mit einem Dachschrägenwinkel β', an den sich wiederum eine Verjüngung der Zahnbreite anschließt zur Ausbildung einer Hinterlegung α2', wobei die Hinterlegung α1' winkelmäßig mit der Hinterlegung α2' nicht gleich sein muss. Die maximale Kombizahn-Formschluss-Zahnbreite M4' im Formschlussverzahnungsbereich 17 entspricht in etwa der Schaltfensterbreite M1.
Die Funktion der Kombizähne 15 entspricht der bereits im Zusammenhang mit den Vorzentrierzähnen 11 und den Formschlusszähnen 12 beschriebenen, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird. Auch hier ist selbstverständlich die Anordnung der Kombizähne anstelle am Gangrad 5 auch an der Schiebemuffe 4 denkbar.

1: Triebwelle
2: Wechselgetriebe
3: Kupplungsnabe
4: Schiebemuffe
5: Gangrad
6: Gangrad
7: Kupplungszähne
8: Kupplungskörper
9: Muffenzähne
10: Endbereich
11: Vorzentrierzahn
12: Formschlusszahn
13: Endbereich
14: Axialanschlag
15: Kombizahn
16: Vorzentrierverzahnungsbereich
17: Formschlussverzahnungsbereich
18: Endbereich

Claims

Wechselgetriebe für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer eine Schiebemuffenverzahnung aufweisenden Schiebemuffe sowie mehreren drehbar an einer Triebwelle angeordneten und eine Kupplungsverzahnung aufweisenden Gangrädern, wobei bei einer axialen Verschiebung der Schiebemuffe entlang der Triebwelle in Richtung eines Gangrades die Schiebemuffenverzahnung in Eingriff mit der Kupplungsverzahnung des zugeordneten Gangrades bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebemuffenverzahnung (9) und/oder die Kupplungsverzahnung (7) einen Vorzentrierverzahnungsbereich (11; 16) aufweisen, der einen an derselben Verzahnung angeordneten Formschlussverzahnungsbereich (12; 17) in Axialrichtung der Triebwelle (1) gesehen überragt dergestalt, dass sich die Schiebemuffe (4) und das Gangrad (5, 6) bei einem Auftreffen des Vorzentrierverzahnungsbereiches (11; 16) auf die jeweils andere Verzahnung aufgrund einer Drehzahldifferenz zwischen der Schiebemuffe (4) und dem Gangrad (5, 6) in eine Eingriffsposition verdrehen und den Eingriff der Schiebemuffenverzahnung in die Kupplungsverzahnung freigeben.
Wechselgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebemuffenverzahnung, vorzugsweise eine Schiebemuffen-Innenverzahnung, eine Mehrzahl von Muffenzähnen (9) und die Kupplungsverzahnung eine Mehrzahl von Kupplungszähnen (7) aufweist, wobei der Vorzentrierverzahnungsbereich (11; 16) an der Kupplungsverzahnung ausgebildet ist.
Wechselgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Anzahl von Vorzentrierzähne (11) ausbildenden Kupplungszähnen (7), in Axialrichtung der Triebwelle (1) gesehen die restlichen, Formschlusszähne (12) ausbildenden Kupplungszähne (7), überragt.
Wechselgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Muffenzähne (9) als auch die Vorzentrierzähne (11) jeweils an den einander zugewandten Bereichen (10; 13) abgeflacht sind.
Wechselgetriebe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Vorzentrierzahn-Zahnbreite (M2) im Vergleich zu einer Schaltfensterbreite (M1) an der Schiebemuffe (4), die durch den Abstand zwischen den Muffenzähnen (9) definiert ist, kleiner ist.
Wechselgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Vorzentrierzahn-Zahnbreite (M2) zur Schaltfensterbreite (M1) in einem Bereich zwischen 1:4 und 2:3 liegt.
Wechselgetriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Formschlusszahn-Zahnbreite (M4) in etwa einer Schaltfensterbreite (M1) an der Schiebemuffe (4) entspricht.
Wechselgetriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusszähne (12) einen vorgegebenen Dachschrägenwinkel (β) aufweisen.
Wechselgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dachschrägenwinkel (β) abhängig vom zahlenmäßigen Verhältnis Schaltfensterbreite: Vorzentrierzahn-Zahnbreite (M1:M2) ist, insbesondere in einem Bereich zwischen 30° und 90° liegt, vorzugsweise 40° beträgt.
Wechselgetriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusszähne (12), vorzugsweise im Anschluss an eine Dachschräge, eine Verjüngung der Zahnbreite aufweisen zur Ausbildung einer Hinterlegung (α2).
Wechselgetriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Muffenzähne (9) und/oder die Vorzentrierzähne (11) jeweils im Anschluss an den vorzugsweise abgeflachten Endbereich (10; 13) eine Verjüngung der Zahnbreite aufweisen zur Ausbildung einer Hinterlegung (α1).
Wechselgetriebe nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterlegung (α1; α2) in einem Bereich zwischen 2° und 9° ausgebildet ist, vorzugsweise 4° beträgt.
Wechselgetriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzentrierzähne (11) und die Formschlusszähne (12) symmetrisch über den Umfang umlaufend am Gangrad (5, 6) angeordnet sind.
Wechselgetriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Anzahl der Vorzentrierzähne (11) zu den Formschlusszähnen (12) in einem Bereich zwischen 1:2 und 1:5 liegt.
Wechselgetriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorzentrierzahn-Axialmaß (M5) und das Formschlusszahn-Hinterlegungsaxialmaß (M6) so ausgelegt sind, dass sich ein Schaltweg von in etwa 6 bis 12 mm, bevorzugt in etwa 8 mm, und eine Überdeckung zwischen den Muffenzähnen (9) und den Formschlusszähnen (12) des Gangrades (5, 6) bei durchgeschaltetem Gang von etwa 1 bis 5 mm, bevorzugt von etwa 2 mm, ergibt.
Wechselgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Anzahl von Kupplungszähnen (7) am freien Endbereich (18) einen Vorzentrierverzahnungsbereich (16) aufweisen, an den sich in Axialrichtung der Triebwelle (1) gesehen ein Formschlussverzahnungsbereich (17) zur Ausbildung eines Kombizahnes (15) anschließt.
Wechselgetriebe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Muffenzähne (9) als auch die Kombizähne (15) jeweils an den einander zugewandten Bereichen (10; 18) abgeflacht sind.
Wechselgetriebe nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Kombizahn-Vorzentrier-Zahnbreite (M2') im Vorzentrierverzahnungsbereich im Vergleich zu einer Schaltfensterbreite (M1) an der Schiebemuffe (4), die durch den Abstand zwischen den Muffenzähnen (9) definiert ist, kleiner ist.
Wechselgetriebe nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Kombizahn-Formschluss-Zahnbreite (M4') im Formschlussverzahnungsbereich in etwa einer Schaltfensterbreite (M1) an der Schiebemuffe (4) entspricht.
Wechselgetriebe nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombizähne (15) im Übergang vom Vorzentrierverzahnungsbereich (16) zum Formschlussverzahnungsbereich (17) einen vorgegebenen Dachschrägenwinkel (β') aufweisen.
Wechselgetriebe nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombizähne (15) im Vorzentrierverzahnungsbereich (16) im Anschluss an den, vorzugsweise abgeflachten, freien Endbereich (18) eine Verjüngung der Zahnbreite aufweisen zur Ausbildung einer Hinterlegung (α1').
Wechselgetriebe nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombizähne (15) im Formschlussverzahnungsbereich (17), vorzugsweise im Anschluss an eine Dachschräge, eine Verjüngung der Zahnbreite aufweisen zur Ausbildung einer Hinterlegung (α2').
Wechselgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Gangrad unmittelbar oder mittelbar mit einer Brems- und/oder Beschleunigungseinrichtung gekoppelt ist, so dass das Gangrad beim Schaltvorgang auf eine vorgebbare Drehzahl abbremsbar und/oder beschleunigbar ist.